具有錐體鎖定芯軸的壓裂橋塞裝置的制作方法

本發明涉及在鉆孔中進行層段的封隔。更具體而言，本發明涉及一種壓裂橋塞系統，其中所述壓裂橋塞系統具有可用于鉆孔內部署的下鉆狀態和鉆孔中期望位置的坐封狀態。壓裂橋塞旨在針對鉆孔中的層段封隔設置密封。更具體而言，本發明涉及一種壓裂橋塞，其具有由錐體和錨定芯軸通過棘輪鎖定嚙合實現的鎖定坐封狀態。

背景技術：

1、在鉆孔內，碳氫化合物僅分布在特定巖層深度。因此，可根據其分布深度，確定產層位置，并有針對性地將產液注入碳氫化合物所在位置，以從鉆孔中采收碳氫化合物。其他不含碳氫化合物的地層，被稱為“非產層”。無需向不含碳氫化合物的非產層注入產液，以免造成浪費。因此，需要將生產層與非產層封隔，以確保可從鉆孔中采收碳氫化合物。

2、可使用特定井下工具將產層與非產層分開，以確保將產液注入產層而不是非產層。例如，可使用橋塞、封隔器或具有封隔閥的其他井下工具，進行層段封隔。

3、在常規工藝中，需要將壓裂橋塞或壓裂橋塞裝置下入鉆孔中。當隨壓裂橋塞裝置一同下入的坐封工具到達正確位置時，其將固定封隔器，即壓裂橋塞將膨脹至與鉆孔壁接觸。然后，需要拆除坐封工具。為了實現產區密封，仍須將壓裂橋塞激活。在壓裂橋塞將鉆孔密封后，產液仍能夠流過封隔器。當壓裂球被放入鉆孔中后，其將沿鉆孔向下移動，直至在壓裂球座處就位，以觸發壓裂橋塞向鉆孔壁膨脹，并且壓裂球還可用作壓裂橋塞密封的一部分。封隔器密封后，即可開始壓裂。壓裂液將僅注入封隔產層，而產液將僅從封隔產層中采出。

4、壓裂橋塞裝置既可通過壓裂球驅動，也可通過其他坐封部件驅動。1953年2月2日授予baker的us2627317a號美國專利公開了一種具有預置壓裂球的油井測試器；在此專利中，壓裂球將驅動壓裂橋塞膨脹，并在壓裂橋塞上形成密封。1967年1月17日授予conrad的us3298437a號美國專利公開了一種作為坐封總成通過壓縮促使橋塞總成膨脹至鉆孔壁的芯軸總成，以及一種可用于實現壓裂橋塞密封的實心管狀構件。

5、還有由不同材料成分組成的簡化版、緊湊型和濃縮版壓裂橋塞系統。由于此類型壓裂橋塞具有更少的部件并選用了更少的材料成分，因此在使用后更加容易拆除。由于可以對部件材料選用進行控制，因此可采用鉆撈方式取出橋塞，或者選用可溶金屬或非金屬成分的橋塞。部件數量減少后，磨銑碎屑量或可溶化學品量均將相應地減少。其中某些簡化、濃縮版壓裂橋塞系統為由楔形體或坡形體、密封環和卡瓦裝置組成的楔形或坡形壓裂橋塞系統。

6、目前已授予或公布了多項涉及楔形或坡形壓裂橋塞系統的專利或專利公告。例如，于2013年11月14日由xu等人公布(us20130299192a1號美國專利申請)并被授予的us8950504b2號美國專利，公開了一種由一個截圓錐形構件、一個可膨脹至鉆孔壁的卡瓦或套筒和一個位于卡瓦尖部的密封件組成的橋塞。于2013年7月25日由xu等人公布(us20130186649a1號美國專利申請)并被授予us9309733b2號美國專利，公開了一種由一個以可拆卸方式固定在芯軸上的錐體、一個可膨脹至鉆孔壁的卡瓦或套筒和一個位于卡瓦尖部的密封件組成的橋塞。此橋塞選用金屬復合材料制成。當橋塞坐封時，芯軸將推動錐體，從而使卡瓦膨脹并與錐體分離。于2018年6月19日授予harris等人的us10000991b2號美國專利，公開了一種由一個具有指形夾頭的環形楔形體、一個環形卡瓦和一個密封環組成的橋塞。于2017年12月5日授予harris等人的us9835003b2號美國專利，公開了一種由非金屬復合材料環形楔形體、環形卡瓦和密封環組成的橋塞。

7、需要提高這些已知簡化版楔形或坡形壓裂橋塞的可靠性。由于單組楔形體與卡瓦之間的嚙合摩擦配合設置具有定向性，因此如果缺少第二組楔形體和卡瓦在相反方向上與鉆孔壁嚙合，則簡化版楔形或坡形壓裂橋塞即僅能依靠一個楔形體或錐體與一個卡瓦裝置之間的摩擦嚙合。反向作用力可能會導致壓裂橋塞脫落和釋放。任何壓力脈沖或定向壓力的變化均可能導致簡化版楔形或斜坡型壓裂橋塞松動，并影響密封完整性。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種可用于在鉆孔內封隔層段的壓裂橋塞裝置。

2、本發明的目的是提供一種可用于保持鉆孔壁密封并防止在鉆孔中過早釋放的簡化版短款壓裂橋塞裝置。

3、本發明的目的是提供一種壓裂橋塞裝置，其具有帶有螺紋錐體部分的錐體和帶有與螺紋錐體部分配合的外螺紋芯軸部分的錨定芯軸。

4、本發明的另一個目的是提供一種由帶有螺紋錐體部分的可溶金屬錐體和帶有外部螺紋芯軸部分的可溶金屬錨定芯軸組成的壓裂橋塞裝置。

5、本發明的目的是提供一種通過錐體與卡瓦裝置之間的摩擦以及錐體與錨定芯軸之間的單向棘輪鎖定螺紋嚙合來實現坐封的簡化版短款壓裂橋塞裝置。

6、本發明的另一個目的是提供一種能夠防止錐體從卡瓦中過早釋放的簡化版短款壓裂橋塞裝置。

7、本發明的另一個目的是提供一種通過錐體與卡瓦裝置之間的摩擦以及錐體與錨定芯軸之間的棘輪鎖定螺紋嚙合來保持鉆孔密封的簡化版短款壓裂橋塞裝置。

8、本發明的上述和其他目的及優點，可通過閱讀隨附說明書、附圖和權利要求了解。

9、本發明的實施方式包括簡化版、短款和緊湊型楔形或坡形壓裂橋塞裝置，其具有鎖定坐封狀態以保持鉆孔密封并防止錐體從卡瓦裝置中過早釋放。壓裂橋塞裝置包括錐體、錨定芯軸、蓋子構件、卡瓦裝置和密封構件。壓裂橋塞裝置具有可部署在鉆孔中的下鉆狀態和位于期望位置的坐封狀態，以確保可在期望位置進行鉆孔密封。在坐封狀態下，壓裂橋塞裝置既具有錐體與卡瓦裝置之間的摩擦配合接合功能，亦具有錐體與錨定芯軸之間的單向棘輪鎖定接合功能。

10、本發明的壓裂橋塞裝置的錐體包括一個位于第二錐體端具有內環槽的內芯和一個在外錐體直徑上向第二錐體端縮小的錐形外表面。錐形外表面與卡瓦裝置和密封構件相互兼容。螺紋錐體部分的尺寸可在壓裂橋塞裝置采用下鉆和坐封狀態時，將錨定芯軸保持在棘輪鎖定嚙合狀態。

11、錨定芯軸的實施方式包括位于第一錨定芯軸端的外部螺紋芯軸部分。在特定實施方式中，錨定芯軸由多個指形夾頭和夾頭底座組成。指形夾頭從夾頭底部向錐體延伸。外部螺紋芯軸部分可以包括指形夾頭的各個外表面。棘輪鎖定嚙合限制了錨定芯軸向錐體的移動。螺紋部件可采用可溶或不可溶金屬材料。

12、由于錐體的螺紋部分與錨定芯軸的外螺紋芯軸部分處于棘輪鎖定嚙合狀態，因此卡瓦裝置的錐形內表面將與錐體的錐形外表面進行滑動接合。本發明具有鎖定坐封狀態，以防止壓裂橋塞裝置密封在到達鉆孔期望位置前釋放。當從下鉆狀態過渡到坐封狀態時，將在相同方向上的相同坐封動作中實現坐封狀態的鎖定。

13、錨定芯軸將以可拆卸的方式接合到蓋子構件上。蓋子構件與錨定芯軸接合，而第一蓋端面向卡瓦裝置。在鎖定坐封狀態下，錐體和錨定芯軸均將處于棘輪鎖定位置，而蓋子構件會將卡瓦裝置保持在伸出位置，以防止卡瓦裝置縮回到其初始位置。蓋子構件將對卡瓦裝置施加壓力，以防止卡瓦裝置從錐體上釋放。

14、壓裂橋塞裝置還可以包括密封構件與卡瓦裝置之間的密封支撐環，以加強鎖定坐封狀態下壓裂橋塞裝置的密封并防止密封構件受到擠壓。在本發明中，當其從下鉆狀態過渡到鎖定坐封狀態時，密封支撐環直徑將隨之增加。在其他實施方式中，錐形外表面上有一個可用于接合密封構件的凹口，以在鎖定坐封狀態下為壓裂橋塞裝置的密封提供支撐并確保其穩定。

15、本發明的實施方式還包括一種利用壓裂橋塞裝置封隔鉆孔中產層與非產層的方法。所述方法包括以下步驟：在下鉆狀態下，部署壓裂橋塞裝置，并確保錐體和錨定芯軸均處于第一棘輪鎖定位置；沿外螺紋芯軸部分從第一棘輪鎖定位置，向更加靠近第一錐體端的第二棘輪鎖定位置移動螺紋錐體部分；以及當蓋子構件靠在第二卡瓦端上時，沿錐形外表面推動錐形內表面。所述方法還包括將壓裂橋塞裝置置于坐封狀態下，并確保錐體和錨定芯軸均處于第二棘輪鎖定位置。坐封狀態是指錐體與錨定芯軸之間實現棘輪鎖定嚙合，將蓋子構件保持在卡瓦裝置上以防止卡瓦裝置縮回的鎖定坐封狀態。在坐封狀態下，所述方法還包括將卡瓦裝置坐封在鉆孔壁中，以使外嚙合面處于伸出位置，并將密封構件密封在靠鉆孔壁的膨脹位置。